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Wie zeigen sich Verdichtungen in der Hintergrundstrahlung ? 11 Dez 2021 11:30 #1230

  • Peter Paul
  • Peter Pauls Avatar Autor
Zur Zeit beschäftige ich mich mit den Ursachen der minimalen Temperaturschwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Einerseits liest man, dass auf großen Winkelskalen der Sachs-Wolfe-Effekt für Abweichungen in der Strahlungstemperatur verantwortlich ist. Aus Materie-Verdichtungen kommt Strahlung mit einer Rotverschiebung heraus (die Strahlungstemperatur ist also geringer als der Durchschnitt) , aus Materie-Verdünnungen mit einer Blauverschiebung (höhere Temperatur). Klar!

Andererseits wird bei kleinen Winkelskalen über die akustischen Baryonen-Oszillationen berichtet, dass im Moment der Freisetzung der Hintergrundstrahlung quasi ein "eingefrorenes" Bild der damit verbundenen Verdichtungen bzw. Verdünnungen in die Hintergrundstrahlung eingeht. Verdichtungen sind mit Erwärmung und Verdünnungen sind mit Abkühlung verbunden. Auch einverstanden!

Mein Problem ist : Das scheinen mir zwei entgegengesetzt wirkende Effekte zu sein. Und das spielt bei dem Thema "akkustische Oszillationen" eine Rolle. Bei akkustischen Verdichtungen wird das aussendende "Gas-Plasma" wärmer, so auch die Strahlung, aber dank des Sachs-Wolfe-Effektes verliert die Strahlung beim Weglaufen von der Verdichtung Energie und wird also wieder kühler. Entsprechend umgekehrt ist es bei den Verdünnungen. Offenbar müsste es doch auf das Ausmaß dieser beiden Effekte ankommen, aber dazu habe ich in den mir zugänglichen Quellen nirgends irgendwelche Aussagen finden können. Nach der Darstellungen dieser beiden Effekte wird im darauf Folgenden immer das Leistungs-Spektrum behandelt, in das die Abweichungen dann aber quadratisch eingehen. Schön, wenn man für diese Darstellung, und alle wunderbaren Erkenntnisse die daraus folgen, die Vorzeichen der Temperaturabweichungen nicht braucht, aber wenn man die tollen "Baby-Bilder" des Universums betrachtet wäre es schon schön, wenn man wüsste, wo nun eigentlich Verdichtungen bzw. Verdünnungen der Materie hinter der Strahlung liegen.

Ich wäre sehr dankbar, wenn mir darauf jemand eine Antwort geben könnten.

Wie zeigen sich Verdichtungen in der Hintergrundstrahlung ? 11 Dez 2021 21:23 #1234

  • Josef M. Gaßner
  • Josef M. Gaßners Avatar
  • Offline
  • Beiträge: 61
Hallo Peter Paul,
Vorbemerkungen:
1.) Zum Zeitpunkt des Last Scatterings entspricht der Teilchenhorizont etwa 1,4 Grad in unserer Aufnahme des CMB. Materie war somit in seiner Ausbreitung auf diesen engen Korridor begrenzt.
2.) Die Dichtefluktuationen haben ihren Ursprung in der kosmischen Inflation, demnach sollten sie nahezu skaleninvariant sein.

Nun zu Ihrer Frage:
Photonen, die sich aus dichteren Bereichen zu uns auf den Weg gemacht haben, waren grundsätzlich etwas energiereicher. Das Entkommen aus einer dichteren Region hat den Photonen aber auch mehr Energie abverlangt. Tatsächlich dominiert der letztere Effekt, dh. heißere Regionen im CMB (rot) repräsentieren geringere Dichte bei z=1089 (zum Zeitpunkt der Rekombination).

Auf Skalen unterhalb von einem Grad spielen Relikte der sog. baryonischen akustischen Oszillationen eine wesentliche Rolle. Das ist nicht in zwei Sätzen zu erklären, deshalb kopiere ich Ihnen die Passage aus unserem Buch - ich hoffe, das hilft Ihnen weiter:

Nahe am Urknall waren Strahlung, baryonische und Dunkle Materie homogen im Raum verteilt. Durch fortwährende Stöße hielten sie ein einheitliches Temperaturniveau. Diesen Zustand bezeichnet man als »thermodynamisches Gleichgewicht«.
Die Expansion des Universums verringert die Temperatur kontinuierlich und lässt die Entfernungen anwachsen. Ihr Gegenspieler ist die Gravitation – sie wirkt auf alle Bestandteile des Universums, ihr Ziel ist die Verdichtung. Die Spielfiguren in diesem kosmischen Wettkampf sind sehr unterschiedlich – die Materie hat es gern gemütlich, während die Photonen mit ihrer hohen Geschwindigkeit Hektik verbreiten. Solange die baryonische Materie im Plasmazustand vorlag, wurde sie von der Hintergrundstrahlung isotrop – also von jedem Punkt ausgehend in alle Richtungen gleichermaßen – in unzähligen Wechselwirkungen vor sich hergetrieben.
Die Dunkle Materie ließ sich von diesem Treiben nicht beeindrucken. Sie wechselwirkte zwar gravitativ mit der davoneilenden baryonischen Materie, akzeptierte aber zunächst, dass die Strahlung das Geschehen dominierte. Erst als die baryonische Materie so weit enteilt und somit der Strahlungsdruck lokal weit genug abgefallen war, gewann die gravitative Anziehung wieder die Oberhand. Die Dichte der Materie und an sie gekoppelt die Photonendichte stiegen wieder an, bis der Strahlungsdruck hoch genug war, um das Spiel von neuem beginnen zu lassen. Erst mit dem last scattering fanden diese sogenannten baryonischen akustischen Oszillationen ein plötzliches Ende. Baryonische Materie und kosmische Hintergrundstrahlung gingen von nun an getrennte Wege. Die Gravitation zwischen sichtbarer und Dunkler Materie obsiegte ein letztes Mal, und die Strukturbildung nahm ihren Lauf. Gerade rechtzeitig, da die Expansion des Universums unaufhaltsam das erzeugt, was die Gravitation am meisten schwächt: Entfernung.
Der weitere Verlauf wird nun davon bestimmt, wie im kosmischen Tauziehen der Gravitation und der Expansion die Kräfte verteilt sind. Mitten hinein in dieses kosmische Treiben erstellen wir nun mit Hilfe unserer Satellitenmissionen ein Bild des kosmischen Mikrowellenhintergrunds – eine Momentaufnahme des frühen Universums. Dummerweise sehen wir darin nur die Photonen der Hintergrundstrahlung. Wir kennen jedoch ihre Anzahl und ihre Temperatur. Die Temperaturschwankungen verraten uns die Dichteschwankungen der Materie. Photonen, die einem dichteren Bereich entkommen mussten, wurden dabei stärker rotverschoben. Die Temperaturkarte der Photonen lässt sich dadurch in eine Positionskarte der Materie übersetzen. Wenn wir darin bestimmen, wie viel Strecke die baryonische Materie im Tauziehen zwischen Strahlungsdruck und Gravitation der Dunklen Materie im Mittel zurückgelegt hat, können wir die Menge der dazu passenden Dunklen Materie berechnen. Statistisch erscheint uns diese Strecke heute unter einem Beobachtungswinkel von 1 Grad. Demnach gibt es mindestens fünfmal mehr Dunkle als sichtbare Materie im Universum.
Letzte Änderung: von Josef M. Gaßner.

Wie zeigen sich Verdichtungen in der Hintergrundstrahlung ? 23 Jun 2022 14:52 #2203

  • Peter Paul
  • Peter Pauls Avatar Autor
Inzwichen habe ich in "Sterne und Weltraum" 3/2017 , S. 8, in der Rubrik : "Leser Fragen -Experten antworten", (Der Download ist kostenlos : www.spektrum.de/pdf/006-009-suw-3-2017-pdf/1437703?file) genau die entgegengesetzte Meinung zu ihrem letzten obigen Abschnitt gefunden. Die Antwort stammt von Prof. Björn Malte Schäfer, Uini Heidelberg.

Im letzten Abschnitt schreibt er :
Der Gesamteffekt, den wir heute beobachten können, ergibt sich
also aus der Summe der Effekte 1 (heißere Photonen dank Verdichtung) und 3 (Gravitative Rotverschiebung). Die exakte Ausarbeitung
der dahinterliegenden Physik zeigt, dass Effekt 3 genau um den
Faktor 3/5 schwächer ist als Effekt 1, so dass sich netto für uns
heute 40 Prozent des Temperaturkontrasts in den damals etwas
dichteren (und wärmeren) Gebieten des Universums tatsächlich
als »heißere« kosmische Hintergrundstrahlung zeigen.

Nach dieser Meinung sind also Photonen, die einem dichteren Bereich entstammen gegenüber den mittleren Photonen, deren "Anzahl und Temperatur" man kennt, blau verschoben. Ihre Temperatur war beim Start höher als der Durchschnitt und dieser Effekt setzt sich, so wie ich Schäfer verstehe, durch.

Was mache ich jetzt als Laie? Mich würde noch immer brennend interessieren, wie es wirklich ist! Eine von beiden Meinungen ist wohl missverständlich ausgedrückt oder es liegt eben ein Irrtum vor. Darf ich Sie, Herr Gaßner, bitten, sich nochmals kritisch und selbstkritisch mit den beiden Meinungen auseinander zu setzen?

Wie zeigen sich Verdichtungen in der Hintergrundstrahlung ? 23 Jun 2022 19:00 #2205

Die Frage wurde und wird konträr diskutiert, das ist richtig. Allerdings überwiegt ganz allgemein die Interpretation, dass es sich gemäß Sachs-Wolfe so verhält, dass die dichten Regionen kühler erscheinen.

Letztlich spielt diese Frage für die erste Auswertung der Hintergrundstrahlung jedoch gar keine Rolle, weil wir ja nur die Differenz ohne Vorzeichen (Fluktuationen) betrachten. Das Leistungsspektrum zählt ja bevorzugt die Entfernungen zwischen Maximum und Minimum, also sind immer beide Regionen beteiligt, wobei diese Maxima durch das Quadrieren nochmals zusätzlich betont werden.
Letzte Änderung: von Rainer Raisch.

Wie zeigen sich Verdichtungen in der Hintergrundstrahlung ? 24 Jun 2022 18:56 #2211

  • Peter Paul
  • Peter Pauls Avatar Autor
Du hast recht, für das Leistungsspektrum wäre das egal, aber es ist nicht egal dafür, was das berühmte Farbfleckenbild von Cobe oder Planck bedeutet. Wo sind am Himmel primordiale Anisotropien mit größerer Dichte, wo sind die mit kleinerer Dichte? Das ist spätestens dann von Bedeutung, wenn ich die ausgewachsenen, heutige Anisotropien mit den primordialen Baby-Anisotropien in Verbindung bringen will.
Nach meiner Antwort zu unserem anderen Thema ist mir jetzt aber klar geworden : In der Grafik sind "wärmere" Punkte (rot oder gelb) Orte von Verdünnungen, während "kältere Punkte" (blau) Orte von Verdichtungen bezeichnen.

Wie zeigen sich Verdichtungen in der Hintergrundstrahlung ? 24 Jun 2022 19:14 #2212

heutige Anisotropien mit den primordialen Baby-Anisotropien in Verbindung bringen will.

Nein, sie haben gar nichts miteinander zu tun, alles was man sieht, war damals mehr als den 63-fachen Hubble Radius entfernt. Es sind nur Beispiele, wie es überall ungefähr ausgesehen hat. Und dabei sind die roten und blauen Flecken etwa gleich verteilt. Lediglich hierus könnte man sichere Schlüsse ziehen wenn es deutliche Unterschiede gäbe.
Letzte Änderung: von Rainer Raisch.

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